JP2009526390A - CMOS device with hybrid channel orientation and method of manufacturing the same - Google Patents

CMOS device with hybrid channel orientation and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

【課題】
特定の素子に最適な性能を提供する、異なる表面配向(すなわちハイブリッド表面配向)を有する半導体基板を提供すること。
【解決手段】
本発明は、少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板に関し、第1の素子領域は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する第1の凹部を備え、第2の素子領域は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する第2の凹部を備える。半導体素子構造は、こうした半導体基板を使用して形成することができる。具体的に言えば、少なくとも1つのnチャネル電界効果トランジスタ(n−FET)を、第1の凹部の内部表面に沿って延在するチャネルを備えた、第1の素子領域に形成することが可能である。少なくとも1つのpチャネル電界効果トランジスタ(p−FET)を、第2の凹部の内部表面に沿って延在するチャネルを備えた、第2の素子領域に形成することが可能である。
【選択図】 図3
【Task】
To provide a semiconductor substrate having different surface orientation (ie, hybrid surface orientation) that provides optimal performance for a particular device.
[Solution]
The present invention relates to a semiconductor substrate comprising at least first and second element regions, the first element region comprising a first recess having an inner surface oriented along a first set of equivalent crystal planes, The second element region comprises a second recess having an inner surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes. The semiconductor element structure can be formed using such a semiconductor substrate. Specifically, at least one n-channel field effect transistor (n-FET) can be formed in the first device region with a channel extending along the inner surface of the first recess. It is. At least one p-channel field effect transistor (p-FET) can be formed in the second device region with a channel extending along the inner surface of the second recess.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路で使用可能な半導体素子に関する。より具体的には、本発明は、ハイブリッド・チャネル配向を伴う少なくとも1つのnチャネル電界効果トランジスタ(n−FET)および少なくとも1つのpチャネル電界効果トランジスタ(p−FET)を備える、CMOS回路に関する。言い換えれば、CMOS回路のn−FETおよびp−FETは、CMOS回路が配置された半導体基板の結晶面の異なるセットに沿って配向されるチャネルを備える。   The present invention relates to a semiconductor device that can be used in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit. More specifically, the present invention relates to a CMOS circuit comprising at least one n-channel field effect transistor (n-FET) with a hybrid channel orientation and at least one p-channel field effect transistor (p-FET). In other words, the n-FET and p-FET of the CMOS circuit comprise channels that are oriented along different sets of crystal planes of the semiconductor substrate on which the CMOS circuit is disposed.

現在の半導体技術では、n−FETおよびp−FETなどのCMOS素子は、通常、基板を形成する半導体材料(たとえばSi)の等価結晶面の単一セットのうちの1つに沿って配向された基板表面をそれぞれが有する半導体ウェハ上に製造される。特に、現在の半導体素子のほとんどは、{100}シリコン結晶面のうちの1つに沿って配向されたウェハ面を有するシリコン・ウェハ上に構築される。   In current semiconductor technology, CMOS devices such as n-FETs and p-FETs are typically oriented along one of a single set of equivalent crystal planes of the semiconductor material (eg, Si) that forms the substrate. Manufactured on semiconductor wafers each having a substrate surface. In particular, most current semiconductor devices are built on a silicon wafer having a wafer surface oriented along one of the {100} silicon crystal planes.

電子は、{100}シリコン結晶面に沿った高移動度を有することが知られているが、正孔(hole)は、{110}シリコン結晶面に沿った高移動度を有することが知られている。具体的には、{100}面に沿った正孔の移動度値は、かかる面に沿った対応する電子の移動度値のおよそ2分の1から4分の1である。これに対して、{110}シリコン面に沿った正孔の移動度値は、{100}シリコン面に沿ったそれの約2倍であるが、{110}面に沿った電子の移動度は、{100}面に沿ったそれに比べて大幅に低い。   Electrons are known to have high mobility along the {100} silicon crystal plane, while holes are known to have high mobility along the {110} silicon crystal plane. ing. Specifically, the hole mobility value along the {100} plane is approximately one-half to one-fourth of the corresponding electron mobility value along the plane. In contrast, the hole mobility value along the {110} silicon surface is about twice that along the {100} silicon surface, but the electron mobility along the {110} surface is , Significantly lower than that along the {100} plane.

上記内容から推定できるように、{110}シリコン面は、{110}面に沿った正孔の移動度が優れているため、p−FET素子を形成するのに最適であり、これによってp−FETにおける駆動電流が高くなる。しかしながらこうした面は、n−FET素子の形成にはまったく適していない。その代わりに{100}シリコン面は、{100}面に沿った電子の移動度が高いため、n−FET素子を形成するのに最適であり、結果としてn−FETにおける駆動電流が高くなる。   As can be inferred from the above contents, the {110} silicon surface is excellent in forming a p-FET element because of its excellent hole mobility along the {110} surface, and thus the p− The drive current in the FET increases. However, this aspect is completely unsuitable for forming n-FET devices. Instead, the {100} silicon surface is optimal for forming an n-FET device because of its high electron mobility along the {100} surface, resulting in a high drive current in the n-FET.

上記内容に鑑み、特定の素子に最適な性能を提供する、異なる表面配向(すなわちハイブリッド表面配向)を有する半導体基板を提供することが求められている。   In view of the above, there is a need to provide a semiconductor substrate having different surface orientation (ie, hybrid surface orientation) that provides optimal performance for a particular device.

さらに、ハイブリッド表面配向を伴い基板上に形成される集積型半導体素子を形成するための方法を提供することも求められており、この集積型半導体素子は、ハイブリッド・チャネル配向を有する少なくともn−FETおよびp−FETを備え、すなわち、n−FETチャネルは相対的に高い電子移動度を提供する等価結晶面の第1のセットに沿って配向され、p−FETチャネルは相対的に高い正孔移動度を提供する等価結晶面の異なるセットに沿って配向される。   There is also a need to provide a method for forming an integrated semiconductor device formed on a substrate with a hybrid surface orientation, the integrated semiconductor device comprising at least an n-FET having a hybrid channel orientation. And the p-FET, ie, the n-FET channel is oriented along a first set of equivalent crystal planes that provide relatively high electron mobility, and the p-FET channel is relatively high hole transport Oriented along different sets of equivalent crystal planes providing degrees.

本発明は、ハイブリッド表面配向を伴う半導体基板を提供する。本発明の半導体基板は、半導体基板材料の結晶面の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する凹部を形成するために、エッチング・ステップによって処理可能な、バルク半導体構造または層状絶縁体上半導体(SOI)構造を備える。こうした半導体基板を使用して、チャネル配向の異なるn−FETおよびp−FETを備えるCMOS回路を容易に形成することができる。   The present invention provides a semiconductor substrate with hybrid surface orientation. The semiconductor substrate of the present invention is a bulk semiconductor structure or semiconductor on layered insulator that can be processed by an etching step to form recesses having internal surfaces oriented along different sets of crystal planes of semiconductor substrate material. (SOI) structure. Using such a semiconductor substrate, a CMOS circuit including n-FETs and p-FETs having different channel orientations can be easily formed.

一態様では、本発明は、少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板であって、第1の素子領域は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する第1の凹部を備え、第2の素子領域は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する第2の凹部を備える、半導体基板と、第1の素子領域に配置された少なくとも1つのnチャネル電界効果トランジスタ(n−FET)であって、このn−FETが第1の凹部の内部表面に沿って延在するチャネルを備える、n−FETと、第2の素子領域に配置された少なくとも1つのpチャネル電界効果トランジスタ(p−FET)であって、このp−FETが第2の凹部の内部表面に沿って延在するチャネルを備える、p−FETと、を備える、半導体素子に関する。   In one aspect, the invention is a semiconductor substrate comprising at least first and second device regions, the first device region having an inner surface oriented along a first set of equivalent crystal planes. A semiconductor substrate comprising a second recess having an inner surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes, the second device region being disposed in the first device region A second element region, wherein the n-FET comprises a channel extending along the inner surface of the first recess, the n-FET being at least one n-channel field effect transistor (n-FET) At least one p-channel field effect transistor (p-FET), the p-FET comprising a channel extending along the internal surface of the second recess. ,semiconductor About the child.

本発明で使用される「等価結晶面」という用語は、以下でより詳細に説明する、ミラー指数によって定義される等価結晶面またはファセットのファミリ(family)を言い表す。   As used herein, the term “equivalent crystal plane” refers to an equivalent crystal plane or facet family defined by the Miller index, described in more detail below.

他の態様では、本発明は、少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板を形成するステップと、半導体基板の第1の素子領域の第1の凹部および第2の素子領域の第2の凹部を形成するステップであって、第1の凹部は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有し、第2の凹部は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する、形成するステップと、第1の素子領域に少なくとも1つのn−FET、および第2の素子領域に少なくとも1つのp−FETを形成するステップであって、n−FETは第1の凹部の内部表面に沿って延在するチャネルを備え、p−FETは第2の凹部の内部表面に沿って延在するチャネルを備える、形成するステップと、を含む、半導体素子を形成するための方法に関する。   In another aspect, the present invention provides a step of forming a semiconductor substrate comprising at least first and second element regions, a first recess in the first element region of the semiconductor substrate, and a second in the second element region. A first recess having an inner surface oriented along a first set of equivalent crystal planes, and a second recess in a second different set of equivalent crystal planes. Forming an internal surface oriented along, forming at least one n-FET in a first device region and at least one p-FET in a second device region, wherein n The FET comprises a channel extending along the inner surface of the first recess, and the p-FET comprises a channel extending along the inner surface of the second recess. To form an element A method for.

他の態様では、本発明は、少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板に関し、第1の素子領域は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する第1の凹部を備え、第2の素子領域は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する第2の凹部を備える。   In another aspect, the invention relates to a semiconductor substrate comprising at least first and second device regions, wherein the first device region has a first surface having an inner surface oriented along a first set of equivalent crystal planes. And the second device region comprises a second recess having an inner surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes.

さらに他の態様では、本発明は、少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板を形成するステップと、半導体基板の第1の素子領域の第1の凹部および第2の素子領域の第2の凹部を形成するステップであって、第1の凹部は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有し、第2の凹部は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する、形成するステップと、を含む方法に関する。   In yet another aspect, the present invention provides a step of forming a semiconductor substrate comprising at least a first and a second element region, and a first recess in the first element region and a second element region in the semiconductor substrate. Forming two recesses, wherein the first recess has an interior surface oriented along a first set of equivalent crystal planes, and the second recess is a second different set of equivalent crystal planes. And having an internal surface oriented along.

本発明の他の態様、特徴、および利点については、以下の開示および添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかとなろう。   Other aspects, features, and advantages of the invention will become more fully apparent from the ensuing disclosure and appended claims.

以下の説明では、本発明を完全に理解するために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、および技法などの、多数の特定の細部が示される。しかしながら、当業者であれば、本発明がこれら特定の細部なしでも実施可能であることを理解されよう。他の例では、本発明を不明瞭にしないように、良く知られた構造または処理ステップについては詳細に説明していない。   In the following description, numerous specific details are set forth, such as specific structures, components, materials, dimensions, processing steps, and techniques, in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, one skilled in the art will understand that the invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures or process steps have not been described in detail in order not to obscure the present invention.

層、領域、または基板としての要素が、他の要素の「上(on)」にあるかまたは他の要素を「覆って(over)」いるものとして言及される場合、これは他の要素の直上にあるものとすることができるか、または介在要素が存在する可能性もある。これに対して、ある要素が他の要素の「直上」にあるかまたは他の要素を「直に覆って」いるものとして言及される場合、いかなる介在要素も存在しない。また、ある要素が他の要素の「下(beneath)」にあるかまたは他の要素に「覆われて(under)」いるものとして言及される場合、これは他の要素の直下にあるものとすることができるか、または介在要素が存在する可能性があることも理解されよう。これに対して、ある要素が他の要素の「直下」にあるかまたは他の要素を「直に覆われて」いるものとして言及される場合、いかなる介在要素も存在しない。   When an element as a layer, region, or substrate is referred to as being “on” another element or “over” the other element, this is It may be directly above or there may be intervening elements. In contrast, when an element is referred to as being “directly over” another element or “directly over” another element, there are no intervening elements present. Also, if an element is referred to as being “beneath” of another element or “under” another element, this is considered to be directly under the other element. It will also be appreciated that there may be intervening elements that may be present. In contrast, when an element is referred to as being “directly under” another element or “directly covered” another element, there are no intervening elements present.

本実施形態は、半導体基板材料の結晶面の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する複数の凹部を含む、ハイブリッド半導体基板を提供する。より具体的に言えば、第1の凹部(または第1の凹部セット)は、特定タイプの電荷キャリア(すなわち、正孔または電子)の移動度が高くなる、等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する。第2の凹部(または第2の凹部セット)は、異なるタイプの電荷キャリア(すなわち、電子または正孔)の移動度が高くなる、等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する。   This embodiment provides a hybrid semiconductor substrate that includes a plurality of recesses having internal surfaces oriented along different sets of crystal planes of semiconductor substrate material. More specifically, the first recess (or first set of recesses) is a first set of equivalent crystal planes that increases the mobility of certain types of charge carriers (ie, holes or electrons). Having an internal surface oriented along. A second recess (or second set of recesses) is an interior oriented along a second different set of equivalent crystal planes that increases the mobility of different types of charge carriers (ie, electrons or holes). Having a surface.

本発明のハイブリッド半導体基板は、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、ならびに他のIII−VまたはII−VI化合物半導体を含むが、これらに限定されることのない、任意の単結晶半導体材料を備えることができる。   The hybrid semiconductor substrate of the present invention includes, but is not limited to, Si, SiC, SiGe, SiGeC, Ge alloy, GaAs, InAs, InP, and other III-V or II-VI compound semiconductors. Any single crystal semiconductor material can be provided.

単結晶半導体材料では、単結晶材料の単位セルにおけるすべての格子方向および格子面を、ミラー指数と呼ばれる数学的記述によって表現することができる。具体的に言えば、ミラー指数における表記[hkl]は、結晶の方向または配向を定義する。図1は、立方セルである、単結晶シリコン単位セルを示す。[001]、[100]、[010]、[110]、および[111]などの特定の結晶方向は、立方単位セル内で矢印によって具体的に示される。これに対して、単結晶シリコン単位セルの結晶面またはファセットは、[hkl]方向に対して垂直な特定の結晶面またはファセットを言い表す、ミラー指数の表記(hkl)によって定義される。図2は、それぞれ[100]、[110]、および[111]方向に対して垂直な、単結晶シリコン単位セルの結晶面(100)、(110)、および(11)を例示的に示す。   In a single crystal semiconductor material, all lattice directions and lattice planes in a unit cell of the single crystal material can be expressed by a mathematical description called a Miller index. Specifically, the notation [hkl] in the Miller index defines the direction or orientation of the crystal. FIG. 1 shows a single crystal silicon unit cell, which is a cubic cell. Specific crystal directions such as [001], [100], [010], [110], and [111] are specifically indicated by arrows in the cubic unit cell. In contrast, the crystal plane or facet of a single crystal silicon unit cell is defined by the Miller index notation (hkl), which refers to a specific crystal plane or facet perpendicular to the [hkl] direction. FIG. 2 exemplarily shows the crystal planes (100), (110), and (11) of the single crystal silicon unit cell perpendicular to the [100], [110], and [111] directions, respectively.

さらに、単位セルは半導体結晶内では周期的であるため、等価結晶の方向および面のファミリまたはセットが存在する。したがってミラー指数の表記<hkl>は、等価結晶の方向または面のファミリまたはセットを定義する。たとえば、<100>方向は[100]、[010]および[001]の等価結晶方向を含み、<110>方向は[110]、[011]、[101]、[−1−10]、[0−1−1]、[−10−1]、[−110]、[0−11]、[−101]、[1−10]、[01−1]、および[10−1]の等価結晶方向を含み、<111>方向は、[111]、[−111]、[1−11]、および[11−1]の等価結晶方向を含む。同様に、表記{hkl}は、それぞれ<hkl>方向に対して垂直な等価結晶の面またはファセットのファミリまたはセットを定義する。たとえば{100}面は、それぞれ<100>方向に対して垂直な等価結晶面のセットを含む。   Furthermore, since the unit cell is periodic in the semiconductor crystal, there is a family or set of equivalent crystal directions and planes. Thus, the Miller index notation <hkl> defines a family or set of equivalent crystal directions or planes. For example, the <100> direction includes equivalent crystal directions of [100], [010] and [001], and the <110> direction includes [110], [011], [101], [-1-10], [-1-10], [-1-10], 0-1-1], [-10-1], [-110], [0-11], [-101], [1-10], [01-1], and [10-1] equivalents Including the crystal direction, the <111> direction includes equivalent crystal directions of [111], [−111], [1-11], and [11-1]. Similarly, the notation {hkl} defines a family or set of equivalent crystal faces or facets, each perpendicular to the <hkl> direction. For example, the {100} plane includes a set of equivalent crystal planes each perpendicular to the <100> direction.

本発明の特に好ましい(しかし必須ではない)実施形態では、ハイブリッド半導体基板は単結晶シリコンを備える。したがって、第1の凹部または第1の凹部セットは{100}シリコン面に沿って配向された内部表面を有することが可能である一方で、第2の凹部または第2の凹部セットは{110}シリコン面に沿って配向された内部表面を有することが可能である。このように、本発明のハイブリッド半導体基板は、第1の凹部または第1の凹部セットの内部表面に沿って配向されたチャネルを有する1つまたは複数のn−FETと、第2の凹部または第2の凹部セットの内部表面に沿って配向されたチャネルを有する1つまたは複数のp−FETとを備える、CMOS回路の製造に使用することができる。   In a particularly preferred (but not essential) embodiment of the invention, the hybrid semiconductor substrate comprises single crystal silicon. Thus, the first recess or first recess set can have an interior surface oriented along the {100} silicon surface, while the second recess or second recess set is {110}. It is possible to have an internal surface oriented along the silicon surface. As described above, the hybrid semiconductor substrate of the present invention includes one or more n-FETs having channels oriented along the inner surface of the first recess or the first recess set, and the second recess or the second recess. It can be used in the manufacture of CMOS circuits with one or more p-FETs having channels oriented along the inner surface of the two recess sets.

別の方法として、第1の凹部または第1の凹部セットは、{100}シリコン面に沿って配向された内部表面を有することが可能である一方で、第2の凹部または第2の凹部セットは、{111}シリコン面に沿って配向された内部表面を有することが可能である。さらに、第1の凹部または第1の凹部セットは、{111}シリコン面に沿って配向された内部表面を有することが可能である一方で、第2の凹部または第2の凹部セットは、{110}シリコン面に沿って配向された内部表面を有することが可能である。素子性能の向上を達成するために、ハイブリッド半導体基板内の凹部に任意の他の好適な面配向の組み合わせを提供することもできる。   Alternatively, the first recess or first recess set can have an interior surface oriented along the {100} silicon surface, while the second recess or second recess set. Can have an internal surface oriented along the {111} silicon surface. Further, the first recess or first recess set can have an interior surface oriented along the {111} silicon surface, while the second recess or second recess set is { It is possible to have an internal surface oriented along the 110} silicon surface. Any other suitable plane orientation combination can also be provided in the recesses in the hybrid semiconductor substrate to achieve improved device performance.

図3は、本発明の一実施形態に従って半導体基板12上に製造されたCMOS回路の断面図を具体的に示す。半導体基板12は、{110}面のうちの1つに沿って配向された基板表面を有し、トレンチ分離領域14によって互いに分離された、少なくとも1つのp−FET素子領域(左側)および少なくとも1つのn−FET素子領域(右側)を備える。   FIG. 3 specifically illustrates a cross-sectional view of a CMOS circuit fabricated on a semiconductor substrate 12 in accordance with one embodiment of the present invention. The semiconductor substrate 12 has at least one p-FET device region (left side) and at least one having a substrate surface oriented along one of the {110} planes and separated from each other by a trench isolation region 14. Two n-FET device regions (right side) are provided.

前述の半導体基板12は、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、ならびに他のIII−VまたはII−VI化合物半導体を含むが、これらに限定されることのない、任意の単結晶半導体材料を備えることが可能である。好ましくは、こうしたハイブリッド半導体基板は、Si含有半導体材料、すなわちシリコンを含む半導体材料から構成される。たとえばハイブリッド半導体基板は、本質的に、バルク単結晶シリコンからなるものとすることができる。別の方法として、ハイブリッド半導体基板は、基板内のリーク電流を減らすように機能する、埋め込み絶縁層を覆って配置された薄膜単結晶シリコン層を含む、SOI構造を備えることができる。ハイブリッド半導体基板は、ドーピングまたは非ドーピングであること、あるいは、内部にドーピングおよび非ドーピング領域を有することが可能である。たとえば半導体基板は、第1のドーピング(nまたはp)領域および第2のドーピング(pまたはn)領域を含むこともできる。第1のドーピング領域および第2のドーピング領域は同じであること、あるいは、異なる導電性あるいはドーピング濃度またはその両方を有することが可能である。これらのドーピング領域は「ウェル(well)」として知られ、様々な素子領域を定義するために使用することができる。   The aforementioned semiconductor substrate 12 includes any, but not limited to, Si, SiC, SiGe, SiGeC, Ge alloy, GaAs, InAs, InP, and other III-V or II-VI compound semiconductors. It is possible to provide a single crystal semiconductor material. Preferably, such a hybrid semiconductor substrate is composed of a Si-containing semiconductor material, ie, a semiconductor material containing silicon. For example, the hybrid semiconductor substrate can consist essentially of bulk single crystal silicon. Alternatively, the hybrid semiconductor substrate can comprise an SOI structure that includes a thin film single crystal silicon layer disposed over a buried insulating layer that functions to reduce leakage current in the substrate. The hybrid semiconductor substrate can be doped or undoped, or can have doped and undoped regions therein. For example, the semiconductor substrate can also include a first doping (n or p) region and a second doping (p or n) region. The first doping region and the second doping region can be the same or have different conductivity and / or doping concentration. These doping regions are known as “wells” and can be used to define various device regions.

たとえばトレンチ分離領域14などの少なくとも1つの分離領域を半導体基板12内に提供し、p−FET素子領域とn−FET素子領域とを分離することができる。分離領域は、トレンチ分離領域(図示)またはフィールド酸化膜分離領域とすることができる。トレンチ分離領域は、当業者に良く知られた従来のトレンチ分離プロセスを使用して形成される。たとえばトレンチ分離領域を形成する際には、トレンチ誘電体を用いたトレンチのリソグラフィ、エッチング、および充填を使用することができる。オプションで、トレンチ充填に先立ってトレンチ内にライナを形成すること、トレンチ充填後に緻密化(densification)ステップを実行すること、および、トレンチ充填に続いて平坦化プロセスを実行することも可能である。フィールド酸化膜は、いわゆるシリコンの局所酸化プロセスを使用して形成することができる。   For example, at least one isolation region such as trench isolation region 14 may be provided in the semiconductor substrate 12 to separate the p-FET device region and the n-FET device region. The isolation region can be a trench isolation region (shown) or a field oxide isolation region. The trench isolation region is formed using a conventional trench isolation process well known to those skilled in the art. For example, in forming a trench isolation region, trench lithography, etching, and filling using a trench dielectric can be used. Optionally, a liner can be formed in the trench prior to trench filling, a densification step can be performed after trench filling, and a planarization process can be performed following trench filling. The field oxide film can be formed using a so-called local oxidation process of silicon.

内部表面25によって画定される第1の凹部が、p−FET素子領域内に配置される。この第1の凹部の内部表面25は、図3の右上隅に矢印で示された{110}結晶面に沿って配向される。半導体基板12のp−FET素子領域は、第1の凹部の両側に配置されたソースおよびドレイン22ならびに24、ソースおよびドレイン22と24との間に配置され第1の凹部の内部表面25に沿って配向されたチャネルを備える、p−FET素子を含む。p−FET素子は、第1の凹部の内部表面25を覆って形成されたゲート誘電体26と、ゲート誘電体26の上部に配置されたゲート電極28とを含む、ゲート・スタックをさらに備える。   A first recess defined by the inner surface 25 is disposed in the p-FET device region. The inner surface 25 of this first recess is oriented along the {110} crystal plane indicated by the arrow in the upper right corner of FIG. The p-FET element region of the semiconductor substrate 12 is disposed along the inner surface 25 of the first recess and the source and drains 22 and 24 disposed on both sides of the first recess, and between the source and drains 22 and 24. A p-FET device with a channel oriented in the vertical direction. The p-FET device further comprises a gate stack including a gate dielectric 26 formed over the inner surface 25 of the first recess and a gate electrode 28 disposed on top of the gate dielectric 26.

内部表面35によって画定される第2の凹部が、n−FET素子領域内に配置される。この第2の凹部の内部表面35は、{110}結晶面に対して45°の角度で傾斜した{100}結晶面に沿って配向される。半導体基板12のn−FET素子領域は、第2の凹部の両側に配置されたソースおよびドレイン32ならびに34、ソースおよびドレイン32と34との間に配置され第2の凹部の内部表面35に沿って配向されたチャネルを備える、n−FET素子を含む。n−FET素子は、第2の凹部の内部表面35を覆って形成されたゲート誘電体36と、ゲート誘電体36の上部に配置されたゲート電極38とを含む、ゲート・スタックをさらに備える。   A second recess defined by the inner surface 35 is disposed in the n-FET device region. The inner surface 35 of the second recess is oriented along a {100} crystal plane that is inclined at an angle of 45 ° with respect to the {110} crystal plane. The n-FET element region of the semiconductor substrate 12 extends along the inner surface 35 of the second recess disposed between the source and drain 32 and 34, and the source and drain 32 and 34 disposed on both sides of the second recess. A n-FET device with a channel oriented in a vertical direction. The n-FET device further comprises a gate stack including a gate dielectric 36 formed over the inner surface 35 of the second recess and a gate electrode 38 disposed on top of the gate dielectric 36.

このようにして、p−FET素子のチャネルは正孔移動度が高い{110}面に沿って配向される一方で、n−FET素子のチャネルは電子移動度が高い{100}面に沿って配向される。   In this way, the channel of the p-FET device is oriented along the {110} plane with high hole mobility, while the channel of the n-FET device is along the {100} plane with high electron mobility. Oriented.

本発明の他の重要な利点は、p−FETおよびn−FETの両方の素子のチャネル長さが、それぞれのゲート長さよりも長いことである。具体的に言えば、p−FETチャネル長さは、ゲート長さGLと第1の凹部の高さhの2倍との合計にほぼ等しい(すなわち、λGL+2h)。さらに、n−FETチャネル長さは、ゲート長さGLの2.8倍にほぼ等しい(すなわち、λ2×√2GL)。   Another important advantage of the present invention is that the channel length of both p-FET and n-FET devices is longer than their respective gate lengths. Specifically, the p-FET channel length is approximately equal to the sum of the gate length GL and twice the height h of the first recess (ie, λGL + 2h). Furthermore, the n-FET channel length is approximately equal to 2.8 times the gate length GL (ie, λ2 × √2GL).

CMOS技術が縮小されているため、チャネル長さが30nm未満の素子における深刻な短チャネル効果によって、従来のプレーナ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)におけるチャネル長さを縮小することは非常に困難である。しかしながらMOSFETサイズの縮小は、回路密度を上げ、製造コストを削減し、素子性能を向上させるために重要である。本発明は、ゲート長さよりもチャネル長さの方が長いMOSFET構造を提案することによって、チャネル長さを短くすることなく、(ゲート長さによって画定される)MOSFETサイズをさらに縮小することができる。   Due to the shrinking CMOS technology, it is very difficult to reduce the channel length in a conventional planar metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) due to the severe short channel effect in devices with channel lengths less than 30 nm. Have difficulty. However, reducing the MOSFET size is important to increase circuit density, reduce manufacturing costs, and improve device performance. The present invention can further reduce the MOSFET size (defined by the gate length) without reducing the channel length by proposing a MOSFET structure with a channel length longer than the gate length. .

図4は、図3に示された実施形態と同様であるが、わずかに異なる、本発明の他の実施形態に従って半導体基板42上に製造されたCMOS回路の断面図を示す。   FIG. 4 shows a cross-sectional view of a CMOS circuit fabricated on a semiconductor substrate 42 according to another embodiment of the present invention that is similar to the embodiment shown in FIG. 3, but slightly different.

半導体基板42は、図3に示されたような{110}面の代わりに、{100}面のうちの1つに沿って配向された基板表面を有する。基板42は、トレンチ分離領域44によって互いに分離された、少なくとも1つのn−FET素子領域(左側)および少なくとも1つのp−FET素子領域(右側)を備える。   The semiconductor substrate 42 has a substrate surface oriented along one of the {100} planes, instead of the {110} plane as shown in FIG. The substrate 42 comprises at least one n-FET device region (left side) and at least one p-FET device region (right side) separated from each other by a trench isolation region 44.

内部表面55によって画定される第1の凹部が、n−FET素子領域内に配置される。この第1の凹部の内部表面55は、図4の右上隅に矢印で示された{100}結晶面に沿って配向される。半導体基板42のn−FET素子領域は、第1の凹部の両側に配置されたソースおよびドレイン52ならびに54、ソースおよびドレイン52と54との間に配置され第1の凹部の内部表面55に沿って配向されたチャネルを備える、n−FET素子を含む。n−FET素子は、第1の凹部の内部表面55を覆って形成されたゲート誘電体56と、ゲート誘電体56の上部に配置されたゲート電極58とを含む、ゲート・スタックをさらに備える。   A first recess defined by the inner surface 55 is disposed in the n-FET device region. The inner surface 55 of this first recess is oriented along the {100} crystal plane indicated by the arrow in the upper right corner of FIG. The n-FET element region of the semiconductor substrate 42 is disposed between the source and drain 52 and 54 disposed on both sides of the first recess, and between the source and drain 52 and 54 and along the inner surface 55 of the first recess. A n-FET device with a channel oriented in a vertical direction. The n-FET device further comprises a gate stack including a gate dielectric 56 formed over the inner surface 55 of the first recess and a gate electrode 58 disposed on top of the gate dielectric 56.

内部表面65によって画定される第2の凹部が、p−FET素子領域内に配置される。この第2の凹部の内部表面65は、{100}結晶面に対して45°の角度で傾斜した{110}結晶面に沿って配向される。半導体基板42のp−FET素子領域は、第2の凹部の両側に配置されたソースおよびドレイン62ならびに64、ソースおよびドレイン62と64との間に配置され第2の凹部の内部表面65に沿って配向されたチャネルを備える、p−FET素子を含む。p−FET素子は、第2の凹部の内部表面65を覆って形成されたゲート誘電体66と、ゲート誘電体66の上部に配置されたゲート電極68とを含む、ゲート・スタックをさらに備える。   A second recess defined by the inner surface 65 is disposed in the p-FET device region. The inner surface 65 of the second recess is oriented along a {110} crystal plane inclined at an angle of 45 ° with respect to the {100} crystal plane. The p-FET element region of the semiconductor substrate 42 extends along the inner surface 65 of the second recess disposed between the source and drain 62 and 64 and the source and drain 62 and 64 disposed on both sides of the second recess. A p-FET device with a channel oriented in the vertical direction. The p-FET device further comprises a gate stack including a gate dielectric 66 formed over the inner surface 65 of the second recess and a gate electrode 68 disposed on top of the gate dielectric 66.

このようにして、n−FET素子のチャネルは電子移動度が高い{100}面に沿って配向される一方で、p−FET素子のチャネルは正孔移動度が高い{110}面に沿って配向される。さらに、n−FETチャネル長さは、ゲート長さGLと第1の凹部の高さhの2倍との合計にほぼ等しい(すなわち、λGL+2h)。さらに、p−FETチャネル長さは、ゲート長さGLの2.8倍にほぼ等しい(すなわち、λ2×√2GL)。   In this way, the channel of the n-FET device is oriented along the {100} plane with high electron mobility, while the channel of the p-FET device is along the {110} plane with high hole mobility. Oriented. Furthermore, the n-FET channel length is approximately equal to the sum of the gate length GL and twice the height h of the first recess (ie, λGL + 2h). Furthermore, the p-FET channel length is approximately equal to 2.8 times the gate length GL (ie, λ2 × √2GL).

図3および図4に示される実施形態は、半導体基板12および42の表面配向が異なる。図3に示されるように、基板表面の配向が、相対的に高い正孔移動度を提供する等価結晶面のセットのうちの1つに整列される場合、p−FET素子領域の凹部は、基板表面に対して平行または垂直のいずれかに配向された内部表面を備える、ほぼ長方形の断面を有することになる一方で、n−FET素子領域の凹部は、基板表面に対して特定の角度に傾斜した内部表面を備える、ほぼ三角形の断面を有することになる。これに対して、代わって図4に示されるように、基板表面の配向が、相対的に高い電子移動度を提供する等価結晶面のセットのうちの1つに整列される場合、n−FET素子領域の凹部は、基板表面に対して平行または垂直のいずれかに配向された内部表面を備える、ほぼ長方形の断面を有することになる一方で、p−FET素子領域の凹部は、基板表面に対して特定の角度に傾斜した内部表面を備える、ほぼ三角形の断面を有することになる。   The embodiment shown in FIGS. 3 and 4 differs in the surface orientation of the semiconductor substrates 12 and 42. As shown in FIG. 3, when the substrate surface orientation is aligned to one of a set of equivalent crystal planes that provide relatively high hole mobility, the recess in the p-FET device region is While having an approximately rectangular cross-section with an internal surface oriented either parallel or perpendicular to the substrate surface, the recesses in the n-FET device region are at a specific angle with respect to the substrate surface. It will have a substantially triangular cross-section with a slanted internal surface. In contrast, if the substrate surface orientation is aligned to one of a set of equivalent crystal planes that provide relatively high electron mobility, as shown instead in FIG. The recess in the device region will have a substantially rectangular cross-section with the inner surface oriented either parallel or perpendicular to the substrate surface, while the recess in the p-FET device region is on the substrate surface. It will have a generally triangular cross-section with the inner surface inclined at a specific angle to it.

図3〜図4は、本発明の特定の実施形態に従った例示的CMOS素子構造を例示的に実証しているが、当業者であれば、こうした素子構造は、上記の説明に整合した特定の適用要件に適合するように容易に修正可能であることに留意されたい。たとえば、図3〜図4に示された半導体基板はバルク半導体基板を示すが、本明細書の実施には絶縁体上半導体(SOI)基板も使用可能であることを理解されたい。さらに図3〜図4では、p−FET素子およびn−FET素子のチャネル配向を定義するために、単結晶シリコンの{110}および{100}結晶面が主に示されるが、p−FET素子およびn−FET素子のチャネル配向を定義するために、単結晶シリコンの{111}、{211}、{311}、{511}、および{711}面などの他の好適な結晶面も、任意の好適な組み合わせで使用可能である。さらに、六方晶単位セルを有する単結晶窒化ガリウムなどの非立方単位セルを備える他の単結晶半導体基板材料も、こうした他の単結晶半導体材料が異なるキャリア移動度値を有する結晶面の異なるセットを含む限り、本発明のCMOS素子を製造するために使用することができる。当業者であれば、図3および図4に示された素子構造を、本発明の趣旨および原理に整合する他の基板構造、結晶配向、または半導体材料に適合するように、容易に修正することができる。   3-4 exemplify exemplary CMOS device structures in accordance with certain embodiments of the present invention, those skilled in the art will recognize such device structures consistent with the above description. Note that it can be easily modified to meet the application requirements of For example, although the semiconductor substrate shown in FIGS. 3-4 represents a bulk semiconductor substrate, it should be understood that a semiconductor-on-insulator (SOI) substrate can also be used in the practice of this specification. Further, in FIGS. 3 to 4, the {110} and {100} crystal planes of single crystal silicon are mainly shown to define the channel orientation of the p-FET device and the n-FET device. Other suitable crystal planes such as {111}, {211}, {311}, {511}, and {711} planes of single crystal silicon are also optional to define the channel orientation of n-FET devices Can be used in any suitable combination. In addition, other single crystal semiconductor substrate materials with non-cubic unit cells such as single crystal gallium nitride with hexagonal unit cells also have different sets of crystal planes where these other single crystal semiconductor materials have different carrier mobility values. As long as it is included, it can be used to manufacture the CMOS device of the present invention. Those skilled in the art can readily modify the device structures shown in FIGS. 3 and 4 to be compatible with other substrate structures, crystal orientations, or semiconductor materials consistent with the spirit and principles of the present invention. Can do.

本発明のハイブリッド結晶配向基板は、選択的エッチング・ステップによって容易に形成可能である。   The hybrid crystal orientation substrate of the present invention can be easily formed by a selective etching step.

具体的に言えば、第1に、等価結晶面(たとえば{100}、{110}、または{111}面)の特定セットのうちの1つに沿って配向された基板表面を有することが可能な、半導体基板が提供される。前述のようなこうした半導体基板は、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、ならびに他のIII−VまたはII−VI化合物半導体を含むが、これらに限定されることのない、任意の単結晶半導体材料を備えることが可能である。   Specifically, first, it is possible to have a substrate surface oriented along one of a specific set of equivalent crystal planes (eg, {100}, {110}, or {111} planes). A semiconductor substrate is provided. Such semiconductor substrates as described above include, but are not limited to, Si, SiC, SiGe, SiGeC, Ge alloys, GaAs, InAs, InP, and other III-V or II-VI compound semiconductors. Any single crystal semiconductor material can be provided.

基板表面の面が整列する等価結晶面の同じセット(すなわち基板表面)であるか、または、基板表面の面に関してある角度で傾斜する等価結晶面の異なるセットであることが可能な、等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する第1の凹部を形成するために、基板表面上の第1の選択領域が選択的にエッチングされる。等価結晶面の第1のセットが、基板表面の面と同じ等価結晶面のセットであることが必要な場合、第1の凹部は、基板表面に対して垂直な方向に沿って(すなわち、基板に対して真っすぐに)半導体基板をエッチングする、異方性エッチング・プロセスによって形成することができる。別の方法として、等価結晶面の第1のセットが、基板表面の面と異なることが必要な場合、第1の凹部は、すべての方向に沿って半導体基板をエッチングする、結晶学的(crystallographic)エッチング・プロセスによって形成することができるが、基板表面の面に沿う方が、等価結晶面の第1のセットに沿うよりも高速である。   Equivalent crystal planes that can be the same set of equivalent crystal planes in which the planes of the substrate surface are aligned (ie, the substrate surface) or different sets of equivalent crystal planes that are inclined at an angle with respect to the plane of the substrate surface A first selective region on the substrate surface is selectively etched to form a first recess having an interior surface oriented along the first set of the first set. If the first set of equivalent crystal planes needs to be the same set of equivalent crystal planes as the plane of the substrate surface, the first recess is along a direction perpendicular to the substrate surface (ie, the substrate It can be formed by an anisotropic etching process that etches the semiconductor substrate (straight relative to). Alternatively, if the first set of equivalent crystal planes need to be different from the plane of the substrate surface, the first recess etches the semiconductor substrate along all directions, crystallographic. ) Although it can be formed by an etching process, it is faster along the plane of the substrate surface than along the first set of equivalent crystal planes.

その後、等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する第2の凹部を形成するために、基板表面上の第2の選択領域が選択的にエッチングされる。等価結晶面の第2の異なるセットが、基板表面の面と同じ等価結晶面のセットとなる場合、第2の凹部は、基板表面に対して垂直な方向に沿った(すなわち、基板に対して真っすぐの)異方性エッチング・プロセスによって形成することができる。別の方法として、等価結晶面の第2の異なるセットが、基板表面の面と異なることが必要な場合、第2の凹部は、すべての方向に沿って半導体基板をエッチングする、結晶学的エッチング・プロセスによって形成することができるが、基板表面の面に沿う方が、等価結晶面の第2の異なるセットに沿うよりも高速である。   Thereafter, a second selected region on the substrate surface is selectively etched to form a second recess having an inner surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes. If the second different set of equivalent crystal planes is the same set of equivalent crystal planes as the plane of the substrate surface, the second recess is along a direction perpendicular to the substrate surface (ie, relative to the substrate It can be formed by a (straight) anisotropic etching process. Alternatively, if the second different set of equivalent crystal planes need to be different from the plane of the substrate surface, the second recess etches the semiconductor substrate along all directions, a crystallographic etch It can be formed by a process, but it is faster along the plane of the substrate surface than along a second different set of equivalent crystal planes.

前述のような異方性エッチングおよび結晶学的エッチングのプロセスは、当分野で知られた任意の好適なドライ・エッチングあるいはウェット・エッチングまたはその両方の技法によって実施可能である。   The anisotropic and crystallographic etching processes as described above can be performed by any suitable dry or wet etching technique or both techniques known in the art.

好ましくは、半導体基板の異方性エッチングは、反応性イオン・エッチング、スパッタ・エッチング、気相エッチング、イオン・ビーム・エッチング、プラズマ・エッチング、およびレーザ・アブレーションなどの、1つまたは複数のドライ・エッチング・プロセスによって実施可能であるが、その限りではない。ドライ・エッチング・プロセスは方向性があるが、異なる結晶面または配向に対してほぼ非選択的であり、すなわち、半導体基板をすべての方向に沿ってほぼ等しい速度でエッチングする。本発明の特定の好ましい実施形態では、ドライ・エッチングは反応性イオン・エッチング(RIE)プロセスを使用して実施される。   Preferably, the anisotropic etching of the semiconductor substrate comprises one or more dry etching such as reactive ion etching, sputter etching, gas phase etching, ion beam etching, plasma etching, and laser ablation. It can be performed by an etching process, but is not limited thereto. The dry etch process is directional, but is nearly non-selective for different crystal planes or orientations, i.e., etches the semiconductor substrate at approximately equal rates along all directions. In certain preferred embodiments of the present invention, dry etching is performed using a reactive ion etching (RIE) process.

半導体基板の結晶学的エッチングは、好ましくは、水酸化塩基のエッチング液、エチレン・ジアミン・ピロカテコール(EDP)基のエッチング液などの、エッチング液を使用する、1つまたは複数のウェット・エッチング・プロセスによって実施される。これらのウェット・エッチング・プロセスは、通常、すべての方向に沿って半導体基板をエッチングするが、結晶学的選択性、すなわち異なる結晶面または方向に沿って大幅に異なるエッチング速度を伴う(本明細書では「結晶学的エッチング」と呼ばれる)。したがって、結晶学的エッチング・プロセスによって形成されるエッチング・パターンは、高速エッチングされる結晶面に沿って進行し、低速でエッチングされる結晶面によって最終的に終端する。   The crystallographic etching of the semiconductor substrate is preferably one or more wet etching processes using an etchant, such as a hydroxide base etchant, an ethylene diamine pyrocatechol (EDP) based etchant, or the like. Implemented by the process. These wet etch processes typically etch a semiconductor substrate along all directions, but with crystallographic selectivity, ie, significantly different etch rates along different crystal planes or directions (herein Is called "crystallographic etching"). Thus, the etching pattern formed by the crystallographic etching process travels along the crystal plane that is etched at high speed and eventually terminates at the crystal plane that is etched at low speed.

たとえば、約23.4%のKOH、13.3%のイソプロピル・アルコール(IPA)、および63.3%の水を備えるエッチング液は、約80℃まで加熱された場合、{100}面に沿っては約1.0im/分のエッチング速度で単結晶シリコンをエッチングするが、{110}面に沿っては約0.06im/分のエッチング速度である。言い換えれば、このエッチング液は、{100}面を{110}面の約17倍の速度でエッチングする。したがって、こうしたエッチング液を使用して、{110}面で終端する凹部を形成するようにシリコン基板をエッチングすることができる。   For example, an etchant comprising about 23.4% KOH, 13.3% isopropyl alcohol (IPA), and 63.3% water, along the {100} plane when heated to about 80 ° C. In this case, single crystal silicon is etched at an etching rate of about 1.0 im / min, but the etching rate is about 0.06 im / min along the {110} plane. In other words, this etchant etches the {100} plane at a rate approximately 17 times that of the {110} plane. Accordingly, the silicon substrate can be etched using such an etchant so as to form a recess that terminates in the {110} plane.

これに対して、約44%のKOHおよび56%の水を備えるエッチング液は、約120℃まで加熱された場合、{110}面に沿っては約11.7im/分、{100}面に沿っては約5.8im/分、および{111}面に沿っては約0.02im/分のエッチング速度で、単結晶シリコンをエッチングする。言い換えれば、このエッチング液は、{110}および{100}面を、{111}面よりも大幅に高速(それぞれ550倍および250倍を超える速度)でエッチングする。したがって、こうしたエッチング液を使用して、{111}面で終端する凹部を形成するようにシリコン基板をエッチングすることができる。   In contrast, an etchant comprising about 44% KOH and 56% water, when heated to about 120 ° C., is about 11.7 im / min along the {110} plane and on the {100} plane. The single crystal silicon is etched at an etch rate of about 5.8 im / min along the {111} plane and about 0.02 im / min along the {111} plane. In other words, this etchant etches the {110} and {100} planes at a much faster rate (more than 550 and 250 times respectively) than the {111} plane. Therefore, the silicon substrate can be etched using such an etchant so as to form a recess that terminates in the {111} plane.

通常、ドライ・エッチングは異方性エッチングに使用されるが、RIEなどの特定のドライ・エッチング技法は、結晶学的エッチングにも使用可能であることに留意されたい。RIEの場合、いくつかの気体が導入されたリアクタ内部に基板が配置される。無線周波(RF)電源を使用して混合気体内にプラズマが導入され、気体の分子をイオンに分解する。イオンはエッチング中の材料の表面に向かって加速され、これと反応して他の気体材料を形成する。これは、結晶学的な可能性のある、すなわち異なる結晶面または方向に沿った結晶学的な選択性を伴う、反応性イオン・エッチングの化学的部分として知られている。RIEは物理的な特徴も有し、イオンが十分な高エネルギーを有する場合、イオンはエッチングされる材料から化学反応なしに原子を追い出すことができる。このRIEの物理的なエッチング特徴は高度な異方性を持つが、結晶学的選択性はない。したがってRIEは、化学的エッチングおよび物理的エッチングの両方に関与する複雑なプロセスである。RIEの化学物質、および化学的特徴と物理的特徴とのバランスを慎重に調節することによって、このプロセスを使用して異方性エッチングまたは結晶学的エッチングのいずれかの結果を達成することができる。同様に、通常、ウェット・エッチングは結晶学的エッチングに使用されるが、特定のウェット・エッチングの化学物質は、異方性エッチング結果の達成にも使用可能である。   Note that dry etching is typically used for anisotropic etching, but certain dry etching techniques such as RIE can also be used for crystallographic etching. In the case of RIE, a substrate is placed inside a reactor into which several gases are introduced. A plasma is introduced into the gas mixture using a radio frequency (RF) power source to decompose the gas molecules into ions. The ions are accelerated towards the surface of the material being etched and react with it to form other gaseous materials. This is known as the chemical part of reactive ion etching that is crystallographically possible, i.e. with crystallographic selectivity along different crystal planes or directions. RIE also has physical characteristics, and if the ions have sufficiently high energy, they can drive atoms out of the material being etched without chemical reaction. This physical etching feature of RIE has a high degree of anisotropy, but no crystallographic selectivity. Thus, RIE is a complex process that involves both chemical and physical etching. By carefully adjusting the RIE chemistry, and the balance between chemical and physical characteristics, this process can be used to achieve either anisotropic or crystallographic etching results. . Similarly, although wet etching is typically used for crystallographic etching, certain wet etching chemistries can also be used to achieve anisotropic etching results.

したがって、本発明は、異方性エッチング・プロセスにはドライ・エッチングを使用し、結晶学的エッチング・プロセスにはウェット・エッチングを使用することに限定されていないが、前述のような所望の異方性および結晶学的結果を達成するために使用可能な、すべての好適なエッチング・プロセスおよび技法を包含する。   Thus, the present invention is not limited to using dry etching for anisotropic etching processes and using wet etching for crystallographic etching processes, although the desired differences as described above. Includes all suitable etching processes and techniques that can be used to achieve isotropic and crystallographic results.

半導体基板内に第1および第2の凹部を形成した後、第1および第2の素子領域でn−FETおよびp−FETを形成するために、追加のCMOS処理ステップを実施することができる。n−FETおよびp−FETは、n−FETおよびp−FETのチャネルが、n−FETチャネルおよびp−FETチャネル内のそれぞれのキャリアの移動度を向上させる等価結晶面に沿ってそれぞれ配向された第1および第2の凹部の内部表面に沿って延在するように、配置構成および構築される。   After forming the first and second recesses in the semiconductor substrate, additional CMOS processing steps can be performed to form n-FETs and p-FETs in the first and second device regions. The n-FET and p-FET are each oriented along an equivalent crystal plane in which the n-FET and p-FET channels improve the mobility of their respective carriers in the n-FET and p-FET channels, respectively. Arranged and constructed to extend along the inner surfaces of the first and second recesses.

図5〜図17は、本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を形成するために使用される、例示的処理ステップを示す。   5-17 illustrate exemplary processing steps used to form a COMS circuit that includes p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, according to one embodiment of the present invention.

最初に、{110}シリコン結晶面のうちの1つに整列された基板表面を有する半導体基板102を示す、図5を参照する。半導体基板は、トレンチ分離領域104によって互いに分離された、p−FET素子領域(左側)およびn−FET素子領域(右側)を備える。   Reference is first made to FIG. 5, which shows a semiconductor substrate 102 having a substrate surface aligned with one of the {110} silicon crystal planes. The semiconductor substrate comprises a p-FET element region (left side) and an n-FET element region (right side) separated from each other by a trench isolation region 104.

基板102を覆ってゲート誘電体層106が形成される。ゲート誘電体層106は、たとえば酸化、窒化、酸窒化(oxynitridation)などの、熱成長プロセスによって形成することができる。別の方法として、ゲート誘電体層106は、たとえば化学気相堆積(CVD)、プラズマ支援CVD、原子層堆積(ALD)、蒸着、反応性スパッタリング、化学溶液堆積、および他の堆積プロセスなどの、堆積プロセスによって形成することができる。ゲート誘電体層106は、上記プロセスの任意の組み合わせを使用して形成することもできる。   A gate dielectric layer 106 is formed over the substrate 102. The gate dielectric layer 106 can be formed by a thermal growth process such as oxidation, nitridation, oxynitridation, and the like. Alternatively, the gate dielectric layer 106 may be formed using, for example, chemical vapor deposition (CVD), plasma assisted CVD, atomic layer deposition (ALD), vapor deposition, reactive sputtering, chemical solution deposition, and other deposition processes, such as It can be formed by a deposition process. The gate dielectric layer 106 can also be formed using any combination of the above processes.

ゲート誘電体層106は、酸化物、窒化物、酸窒化物、あるいは、金属ケイ酸塩および窒化金属ケイ酸塩を含むケイ酸塩、またはそれらすべてを含む、絶縁材料からなるが、これらに限定されることはない。一実施形態では、ゲート誘電体層106は、たとえばSiO、HfO、ZrO、Al、TiO、La、SrTiO、LaAlO、およびそれらの混合物などの、酸化物からなることが好ましい。 The gate dielectric layer 106 is comprised of an insulating material including, but not limited to, oxides, nitrides, oxynitrides, or silicates including metal silicates and metal nitrides. It will never be done. In one embodiment, gate dielectric layer 106, for example such as SiO 2, HfO 2, ZrO 2 , Al 2 O 3, TiO 2, La 2 O 3, SrTiO 3, LaAlO 3, and mixtures thereof, oxides Preferably it consists of.

ゲート誘電体層106の物理厚さは変化する可能性があるが、通常、ゲート誘電体層106は、約0.5nmから約10nmの厚さを有し、約1nmから約5nmの厚さがより典型的である。   Although the physical thickness of the gate dielectric layer 106 can vary, typically the gate dielectric layer 106 has a thickness of about 0.5 nm to about 10 nm, and a thickness of about 1 nm to about 5 nm. More typical.

ゲート誘電体層106を形成した後、図6に示されるように、ゲート誘電体層106を覆ってブランケット誘電体ハード・マスク層108が堆積され、その後、1つはn−FET素子領域、1つはp−FET素子領域での、少なくとも2つのエッチング開口部を形成するためにパターニングされる。誘電体ハード・マスク層108は、酸化物、窒化物、酸窒化物、またはそれらの任意の組み合わせを備えることが可能であり、たとえば物理気相堆積または化学気相堆積などの堆積プロセスを使用して、堆積させることができる。好ましくは、誘電体ハード・マスク層108は窒化物を備え、約50nmから約150nm、より好ましくは約80nmから約120nmの範囲内の厚さを有するが、この限りではない。   After forming the gate dielectric layer 106, a blanket dielectric hard mask layer 108 is deposited over the gate dielectric layer 106, as shown in FIG. One is patterned to form at least two etch openings in the p-FET device region. The dielectric hard mask layer 108 can comprise an oxide, nitride, oxynitride, or any combination thereof and uses a deposition process such as physical vapor deposition or chemical vapor deposition, for example. And can be deposited. Preferably, the dielectric hard mask layer 108 comprises nitride and has a thickness in the range of about 50 nm to about 150 nm, more preferably about 80 nm to about 120 nm, but is not limited thereto.

ブランケット誘電体ハード・マスク層108は、リソグラフィおよびエッチングによってパターニングすることができる。リソグラフィ・ステップは、好ましくはゲート・レベルを画定し、ブランケット誘電体ハード・マスク層108の上面にフォトレジスト(図示せず)を印加するステップと、フォトレジストを所望の放射線パターンに露出するステップと、従来のレジスト・ディベロッパ(resist developer)を使用して露出されたフォトレジストを現像するステップとを含む。次に、エッチング開口部を形成するために、1つまたは複数のドライ・エッチング・ステップを使用して、フォトレジスト内のパターンが誘電体マスク層108に転写される。本発明の誘電体ハード・マスク層108のパターニングで使用可能な好適なドライ・エッチング・プロセスには、反応性イオン・エッチング(RIE)、イオン・ビーム・エッチング、プラズマ・エッチング、またはレーザ・アブレーションが含まれるが、これらに限定されることはない。好ましくは、エッチングは、ゲート誘電体層106上で終了する窒化物RIEステップによって実施される。その後、パターニングされたフォトレジストは、エッチングが完了した後にレジスト・ストリッピングによって除去される。   The blanket dielectric hard mask layer 108 can be patterned by lithography and etching. The lithography step preferably defines a gate level, applies a photoresist (not shown) to the top surface of the blanket dielectric hard mask layer 108, and exposes the photoresist to a desired radiation pattern. Developing the exposed photoresist using a conventional resist developer. Next, the pattern in the photoresist is transferred to the dielectric mask layer 108 using one or more dry etching steps to form an etching opening. Suitable dry etching processes that can be used to pattern the dielectric hard mask layer 108 of the present invention include reactive ion etching (RIE), ion beam etching, plasma etching, or laser ablation. Including, but not limited to. Preferably, the etching is performed by a nitride RIE step that terminates on the gate dielectric layer 106. The patterned photoresist is then removed by resist stripping after etching is complete.

次にブロック・マスク(図示せず)が、n−FET素子領域を覆うがp−FET素子領域は覆わずに選択的に形成され、その後図7に示されるように、p−FET素子領域内でゲート誘電体層106が選択的にエッチングされる。ゲート誘電体層106の選択的エッチングは、基礎となる基板102内の半導体材料および誘電体ハード・マスク層108のマスキング材料に対して層106内のゲート誘電体材料を選択的にエッチングする、任意の好適なエッチング・プロセスによって実施することができる。好ましくは、またゲート誘電体層106が酸化物を備え、誘電体ハード・マスク層108が窒化物を備え、フッ化水素酸塩基のエッチング液が使用される場合、このエッチング液は、シリコンなどの半導体材料よりもかなり高速で酸化物をエッチングし、窒化物はまったくエッチングしない。   Next, a block mask (not shown) is selectively formed covering the n-FET device region but not the p-FET device region, and then in the p-FET device region as shown in FIG. The gate dielectric layer 106 is selectively etched. Selective etching of the gate dielectric layer 106 is an optional etch that selectively etches the gate dielectric material in the layer 106 relative to the semiconductor material in the underlying substrate 102 and the masking material in the dielectric hard mask layer 108. Can be implemented by any suitable etching process. Preferably, if the gate dielectric layer 106 comprises an oxide and the dielectric hard mask layer 108 comprises a nitride and a hydrofluoric acid base etchant is used, the etchant may be silicon or the like. It etches oxides much faster than semiconductor materials and does not etch nitrides at all.

その後、p−FET素子領域の選択的エッチングのために(前述の)異方性エッチング・ステップが実施され、それによって、図8に示されるように、p−FET素子領域で半導体基板102内に凹部110が形成される。こうして形成された凹部110は、ほぼ長方形の断面を有し、{110}結晶面にほぼ整列された内部表面111を含む。好ましくは、異方性エッチング・ステップは、p−FET素子領域の選択的エッチングのために以前に形成されたn−FETブロック・マスクを使用する異方性RIEを含むが、この限りではない。   Thereafter, an anisotropic etching step (described above) is performed for selective etching of the p-FET device region, thereby forming the p-FET device region in the semiconductor substrate 102 as shown in FIG. A recess 110 is formed. The recess 110 thus formed includes an inner surface 111 having a substantially rectangular cross section and substantially aligned with the {110} crystal plane. Preferably, the anisotropic etching step includes, but is not limited to, anisotropic RIE using a previously formed n-FET block mask for selective etching of the p-FET device region.

異方性エッチングに続き、図9に示されるように、酸化プロセスによって凹部110の内部表面を覆う犠牲酸化物(sacrificial oxide)層112が形成される。酸化プロセスは、熱酸化プロセスまたは化学酸化プロセスのいずれかとすることができる。   Following the anisotropic etching, a sacrificial oxide layer 112 covering the inner surface of the recess 110 is formed by an oxidation process, as shown in FIG. The oxidation process can be either a thermal oxidation process or a chemical oxidation process.

犠牲酸化物層112を形成した後、基板表面からn−FETブロック・マスクが除去される。その後、図10に示されるように、他のブロック・マスク(図示せず)が、p−FET素子領域を覆うがn−FET素子領域は覆わずに選択的に形成され、続いてn−FET素子領域内でゲート誘電体層106が選択的にエッチングされる。ゲート誘電体層106の選択的エッチング後、p−FETブロック・マスクが除去される。   After the sacrificial oxide layer 112 is formed, the n-FET block mask is removed from the substrate surface. Thereafter, as shown in FIG. 10, another block mask (not shown) is selectively formed over the p-FET device region but not the n-FET device region, followed by the n-FET. The gate dielectric layer 106 is selectively etched in the device region. After selective etching of the gate dielectric layer 106, the p-FET block mask is removed.

次に、n−FET素子領域の選択的エッチングのために(前述の)結晶学的エッチング・ステップが実施され、それによって、図11に示されるように、n−FET素子領域で半導体基板102内に凹部114が形成される。好ましくは、{100}面よりもかなり高速で{110}面をエッチングする水酸化塩基のエッチング液を使用するウェット・エッチング・プロセスを使用して、結晶学的エッチング・ステップが実施されるが、この限りではなく、その間に、p−FET素子領域のエッチングを防止するためにマスクが使用される。別の方法として、結晶学的RIEプロセスを使用して結晶学的エッチング・ステップが実施される場合、前述のp−FETブロック・マスクは、ゲート誘電体層106の選択的エッチング後も保持されるはずであるため、結晶学的RIEプロセス中にマスクとして使用することができる。したがって、このようにして形成された凹部114はほぼ三角形の断面を有し、{100}結晶面にはほぼ整列されるが、{110}面に対しては45°の角度で傾斜する、内部表面115を含む。   Next, a crystallographic etching step (described above) is performed for selective etching of the n-FET device region, thereby forming an n-FET device region in the semiconductor substrate 102 as shown in FIG. A recess 114 is formed on the surface. Preferably, the crystallographic etching step is performed using a wet etch process using a hydroxide base etchant that etches the {110} face much faster than the {100} face, In the meantime, a mask is used in order to prevent etching of the p-FET device region. Alternatively, if the crystallographic etch step is performed using a crystallographic RIE process, the aforementioned p-FET block mask is retained after selective etching of the gate dielectric layer 106. As such, it can be used as a mask during the crystallographic RIE process. Therefore, the recess 114 formed in this way has a substantially triangular cross-section and is substantially aligned with the {100} crystal plane, but is inclined at an angle of 45 ° with respect to the {110} plane. A surface 115 is included.

結晶学的エッチングに続き、好ましくは酸化物エッチング・プロセスによって、p−FET素子領域から犠牲酸化物層112が除去され、それによって図12に示されるように、凹部110および114の両方の内部表面111および115が露出される。凹部110の内部表面111は{110}面に沿って配向され、凹部114の内部表面115は{100}面に沿って配向される。図13は、図12の半導体基板102の上面図を示し、異なる内部表面配向を伴う2つの凹部110および114を含む。   Following the crystallographic etch, the sacrificial oxide layer 112 is removed from the p-FET device region, preferably by an oxide etch process, so that the inner surfaces of both recesses 110 and 114 are shown in FIG. 111 and 115 are exposed. The inner surface 111 of the recess 110 is oriented along the {110} plane, and the inner surface 115 of the recess 114 is oriented along the {100} plane. FIG. 13 shows a top view of the semiconductor substrate 102 of FIG. 12 and includes two recesses 110 and 114 with different internal surface orientations.

その後、図14に示されるように、ゲート誘電体層106を形成するために上記に記載したものと同様のプロセスを使用して、凹部110および114を覆って追加のゲート誘電体層116および118が形成される。次に図15に示されるように、構造全体を覆ってブランク・ゲート導体層120が堆積される。ゲート導体層120は、金属、金属合金、金属ケイ化物、金属窒化物、およびドーピング・シリコン含有半導体材料(ポリシリコン、SiGeなど)などの、任意の好適な導電材料を備えることが可能であり、約50nmから約150nm、より典型的には約80nmから約120nmの範囲内の層厚さを有することができる。その後、ゲート導体層120は、2つのゲート導体120Aおよび120Bを形成するために(たとえば、化学的機械的研磨プロセスによって)平坦化され、ゲート導体120Aおよび120Bの上部表面は、図16に示されるように、誘電体ハード・マスク層108の上部表面と同一平面になる。その後、誘電体ハード・マスク層108は、図17に示されるように、露出したゲート導体120Aおよび120Bを形成するために移動される。   Thereafter, as shown in FIG. 14, additional gate dielectric layers 116 and 118 are formed over recesses 110 and 114 using processes similar to those described above to form gate dielectric layer 106. Is formed. A blank gate conductor layer 120 is then deposited over the entire structure, as shown in FIG. The gate conductor layer 120 can comprise any suitable conductive material, such as metals, metal alloys, metal silicides, metal nitrides, and doped silicon-containing semiconductor materials (polysilicon, SiGe, etc.) It can have a layer thickness in the range of about 50 nm to about 150 nm, more typically about 80 nm to about 120 nm. Thereafter, the gate conductor layer 120 is planarized (eg, by a chemical mechanical polishing process) to form two gate conductors 120A and 120B, and the top surfaces of the gate conductors 120A and 120B are shown in FIG. Thus, it is flush with the top surface of the dielectric hard mask layer 108. Thereafter, the dielectric hard mask layer 108 is moved to form exposed gate conductors 120A and 120B, as shown in FIG.

したがって図17に示される構造は、p−FET素子領域内の凹部を覆って形成されたp−FETゲート誘導体層116およびp−FETゲート導体120A、ならびに、n−FET素子領域内の凹部を覆って形成されたn−FETゲート誘電体層118およびn−FETゲート導体120Bを含む。p−FETゲート誘電体層116は、p−FET素子領域内の凹部の内部表面に沿って延在するp−FETチャネルの境界を画し、n−FETゲート誘電体層118は、n−FET素子領域内の凹部の内部表面に沿って延在するn−FETチャネルの境界を画する。   Therefore, the structure shown in FIG. 17 covers the p-FET gate dielectric layer 116 and the p-FET gate conductor 120A formed covering the recess in the p-FET device region, and the recess in the n-FET device region. N-FET gate dielectric layer 118 and n-FET gate conductor 120B. The p-FET gate dielectric layer 116 demarcates the p-FET channel extending along the inner surface of the recess in the p-FET device region, and the n-FET gate dielectric layer 118 is the n-FET. Delimits the n-FET channel extending along the inner surface of the recess in the device region.

続いて、本明細書では詳細に説明しない従来のCMOS処理ステップを実施して、図3に示されるものと同様の、p−FET素子領域のp−FETおよびn−FET素子領域のn−FETを含む完全なCMOS回路を形成することができる。   Subsequently, conventional CMOS processing steps not described in detail herein are performed to provide a p-FET in the p-FET device region and an n-FET in the n-FET device region similar to those shown in FIG. A complete CMOS circuit including can be formed.

本発明の図面は例示の目的で提供されたものであり、一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。   It should be noted that the drawings of the present invention are provided for illustrative purposes and are not drawn to scale.

以上、本発明について、特定の実施形態、特徴、および態様を参照しながら説明してきたが、本発明はこのように制限されるものではなく、むしろ有用性は他の修正、変形、適用範囲、および実施形態へと拡張されるものであり、それに応じて、こうした他の修正、変形、適用範囲、および実施形態は、本発明の趣旨および範囲内にあるものとみなされることを理解されよう。   Although the present invention has been described above with reference to specific embodiments, features, and aspects, the present invention is not limited in this manner, but rather has utility in other modifications, variations, applications, It is to be understood that such other modifications, variations, coverages, and embodiments are considered to be within the spirit and scope of the present invention, and to the extent that it is extended to.

矢印で具体的に示されたある結晶配向を伴うシリコン結晶単位セル(unit cell)を示す図である。It is a figure which shows the silicon crystal unit cell (unit cell) with the certain crystal orientation specifically shown by the arrow. シリコン結晶単位セル内のある特定の結晶面を示す図である。It is a figure which shows a certain specific crystal plane in a silicon crystal unit cell. 本発明の一実施形態に従った、{110}シリコン面のうちの1つに沿って配向された基板表面を有する半導体基板上に製造されたCMOS回路を示す断面図であり、CMOS回路は、{110}シリコン面に沿って配向されたそのチャネルを有する少なくとも1つのp−FETと、{100}シリコン面に沿って配向されたそのチャネルを有する少なくとも1つのn−FETとを含む。1 is a cross-sectional view illustrating a CMOS circuit fabricated on a semiconductor substrate having a substrate surface oriented along one of the {110} silicon surfaces, according to one embodiment of the invention, Including at least one p-FET having its channel oriented along a {110} silicon surface and at least one n-FET having its channel oriented along a {100} silicon surface. 本発明の一実施形態に従った、{100}シリコン面のうちの1つに沿って配向された基板表面を有する半導体基板上に製造されたCMOS回路を示す断面図であり、CMOS回路は、{100}シリコン面に沿って配向されたそのチャネルを有する少なくとも1つのn−FETと、{110}シリコン面に沿って配向されたそのチャネルを有する少なくとも1つのp−FETとを含む。1 is a cross-sectional view illustrating a CMOS circuit fabricated on a semiconductor substrate having a substrate surface oriented along one of the {100} silicon planes, according to one embodiment of the invention, Including at least one n-FET having its channel oriented along a {100} silicon surface and at least one p-FET having its channel oriented along a {110} silicon surface. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った、ハイブリッド・チャネル配向を伴うp−FETおよびn−FETを含むCOMS回路を製造するために使用される、例示的処理ステップを示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary processing steps used to fabricate a COMS circuit including p-FETs and n-FETs with hybrid channel orientation, in accordance with one embodiment of the present invention.

Claims (13)

少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板であって、前記第1の素子領域は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する第1の凹部を備え、前記第2の素子領域は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する第2の凹部を備える、半導体基板と、
前記第1の素子領域に配置された少なくとも1つのnチャネル電界効果トランジスタ(n−FET)であって、前記n−FETは前記第1の凹部の前記内部表面に沿って延在するチャネルを備える、n−FETと、
前記第2の素子領域に配置された少なくとも1つのpチャネル電界効果トランジスタ(p−FET)であって、前記p−FETは前記第2の凹部の前記内部表面に沿って延在するチャネルを備える、p−FETと、
を備える、半導体素子。
A semiconductor substrate comprising at least a first and a second element region, wherein the first element region comprises a first recess having an inner surface oriented along a first set of equivalent crystal planes; A second substrate region comprising a second recess having an inner surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes;
At least one n-channel field effect transistor (n-FET) disposed in the first device region, the n-FET comprising a channel extending along the inner surface of the first recess; , N-FET,
At least one p-channel field effect transistor (p-FET) disposed in the second device region, the p-FET comprising a channel extending along the inner surface of the second recess; , P-FET,
A semiconductor device comprising:
前記半導体基板は、前記等価結晶面の第1のセットのうちの1つに沿って配向されたか、または前記等価結晶面の第2のセットのうちの1つに沿って配向された、基板表面を有する、請求項1に記載の半導体素子。   The semiconductor substrate is oriented along one of the first set of equivalent crystal planes, or oriented along one of the second set of equivalent crystal planes The semiconductor device according to claim 1, comprising: 前記半導体基板は単結晶シリコンを備え、
(a)前記等価結晶面の第1のセットは{100}シリコン面であり、前記等価結晶面の第2の異なるセットは{110}シリコン面であること、
(b)前記等価結晶面の第1のセットは{100}シリコン面であり、前記等価結晶面の第2の異なるセットは{111}シリコン面であること、または
(c)前記半導体基板は単結晶シリコンを備え、前記等価結晶面の第1のセットは{111}シリコン面であり、前記等価結晶面の第2の異なるセットは{110}シリコン面であること、
のいずれか1つである、請求項1に記載の半導体素子。
The semiconductor substrate comprises single crystal silicon,
(A) the first set of equivalent crystal faces is a {100} silicon face and the second different set of equivalent crystal faces is a {110} silicon face;
(B) the first set of equivalent crystal planes is a {100} silicon plane and the second different set of equivalent crystal planes is a {111} silicon plane; or (c) the semiconductor substrate is a single Comprising crystalline silicon, the first set of equivalent crystal faces being {111} silicon faces, and the second different set of equivalent crystal faces being {110} silicon faces;
The semiconductor device according to claim 1, which is any one of the following.
前記n−FETは、前記チャネルの両側に配置されたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネルを覆って配置されたゲート・スタックとをさらに備え、前記n−FETは、そのゲート長さよりも長いチャネル長さを有するか、あるいは前記p−FETは、前記チャネルの両側に配置されたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネルを覆って配置されたゲート・スタックとをさらに備え、前記p−FETは、そのゲート長さよりも長いチャネル長さを有する、請求項1、2、または3に記載の半導体素子。   The n-FET further comprises a source region and a drain region disposed on both sides of the channel, and a gate stack disposed over the channel, and the n-FET has a channel longer than its gate length. The p-FET further comprises source and drain regions disposed on opposite sides of the channel, and a gate stack disposed over the channel, the p-FET comprising: The semiconductor device according to claim 1, 2 or 3 having a channel length longer than the gate length. 少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板を形成するステップと、
前記半導体基板の前記第1の素子領域の第1の凹部および前記第2の素子領域の第2の凹部を形成するステップであって、前記第1の凹部は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有し、前記第2の凹部は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する、形成するステップと、
前記第1の素子領域に少なくとも1つのn−FETと、前記第2の素子領域に少なくとも1つのp−FETとを形成するステップであって、前記n−FETは前記第1の凹部の前記内部表面に沿って延在するチャネルを備え、前記p−FETは前記第2の凹部の前記内部表面に沿って延在するチャネルを備える、形成するステップと、
を含む、半導体素子を形成するための方法。
Forming a semiconductor substrate comprising at least first and second element regions;
Forming a first recess in the first element region and a second recess in the second element region of the semiconductor substrate, wherein the first recess is a first set of equivalent crystal planes. Forming an internal surface oriented along, and wherein the second recess has internal surfaces oriented along a second different set of equivalent crystal planes;
Forming at least one n-FET in the first element region and at least one p-FET in the second element region, wherein the n-FET is in the interior of the first recess. Forming a channel extending along a surface, the p-FET comprising a channel extending along the internal surface of the second recess;
A method for forming a semiconductor device comprising:
前記半導体基板は、前記等価結晶面の第1のセットのうちの1つに沿って配向された基板表面を有し、前記第1の凹部は前記基板表面に垂直な方向に沿って前記半導体基板をエッチングする異方性エッチング・プロセスによって形成され、前記第2の凹部はすべての方向に沿って前記半導体基板をエッチングする結晶学的エッチングによって形成されるが、前記等価結晶面の第1のセットに沿う方が、前記等価結晶面の第2の異なるセットに沿うよりも高速である、請求項5に記載の方法。   The semiconductor substrate has a substrate surface oriented along one of the first set of equivalent crystal planes, and the first recess is along the direction perpendicular to the substrate surface. A first set of equivalent crystal planes, wherein the second recess is formed by a crystallographic etch that etches the semiconductor substrate along all directions. 6. The method of claim 5, wherein along is faster than along a second different set of equivalent crystal planes. 前記半導体基板は、前記等価結晶面の第2の異なるセットのうちの1つに沿って配向された基板表面を有し、前記第1の凹部はすべての方向に沿って前記半導体基板をエッチングする結晶学的エッチングによって形成されるが、前記等価結晶面の第2の異なるセットに沿う方が、前記等価結晶面の第1のセットに沿うよりも高速であり、前記第2の凹部は前記基板表面に垂直な方向に沿って前記半導体基板をエッチングする異方性エッチング・プロセスによって形成される、請求項5に記載の方法。   The semiconductor substrate has a substrate surface oriented along one of the second different set of equivalent crystal planes, and the first recess etches the semiconductor substrate along all directions. Formed by crystallographic etching, but along the second different set of equivalent crystal planes is faster than along the first set of equivalent crystal planes, and the second recess is the substrate 6. The method of claim 5, formed by an anisotropic etching process that etches the semiconductor substrate along a direction perpendicular to the surface. 前記半導体基板は単結晶シリコンを備え、前記等価結晶面の第1のセットは{100}シリコン面であり、前記等価結晶面の第2の異なるセットは{110}シリコン面である、請求項6または7に記載の方法。   The semiconductor substrate comprises single crystal silicon, the first set of equivalent crystal planes is a {100} silicon plane, and the second different set of equivalent crystal planes is a {110} silicon plane. Or the method according to 7. 前記異方性エッチング・プロセスはドライ・エッチング・プロセスであり、前記結晶学的エッチング・プロセスはウェット・エッチング・プロセスである、請求項6または7に記載の方法。   The method according to claim 6 or 7, wherein the anisotropic etching process is a dry etching process and the crystallographic etching process is a wet etching process. 前記ドライ・エッチング・プロセスは反応性イオンを使用して実施され、前記ウェット・エッチング・プロセスは水酸化塩基のエッチング液を使用して実施される、請求項6または7に記載の方法。   8. The method of claim 6 or 7, wherein the dry etching process is performed using reactive ions and the wet etching process is performed using a hydroxide base etchant. 前記n−FETは、前記チャネルの両側に配置されたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネルを覆って配置されたゲート・スタックとをさらに備え、前記n−FETは、そのゲート長さよりも長いチャネル長さを有するか、あるいは前記p−FETは、前記チャネルの両側に配置されたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネルを覆って配置されたゲート・スタックとをさらに備え、前記p−FETは、そのゲート長さよりも長いチャネル長さを有する、請求項5に記載の方法。   The n-FET further comprises a source region and a drain region disposed on both sides of the channel, and a gate stack disposed over the channel, and the n-FET has a channel longer than its gate length. The p-FET further comprises source and drain regions disposed on opposite sides of the channel, and a gate stack disposed over the channel, the p-FET comprising: 6. The method of claim 5, having a channel length that is longer than the gate length. 少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板であって、前記第1の素子領域は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有する第1の凹部を備え、前記第2の素子領域は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する第2の凹部を備える、半導体基板。   A semiconductor substrate comprising at least a first and a second element region, wherein the first element region comprises a first recess having an inner surface oriented along a first set of equivalent crystal planes; A semiconductor substrate, wherein the second device region comprises a second recess having an inner surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes. 少なくとも第1および第2の素子領域を備える半導体基板を形成するステップと、
前記半導体基板の前記第1の素子領域の第1の凹部と前記第2の素子領域の第2の凹部とを形成するステップであって、前記第1の凹部は等価結晶面の第1のセットに沿って配向された内部表面を有し、前記第2の凹部は等価結晶面の第2の異なるセットに沿って配向された内部表面を有する、形成するステップと、
を含む方法。
Forming a semiconductor substrate comprising at least first and second element regions;
Forming a first recess in the first element region and a second recess in the second element region of the semiconductor substrate, wherein the first recess is a first set of equivalent crystal planes. Forming an internal surface oriented along the second recess, the internal surface oriented along a second different set of equivalent crystal planes; and
Including methods.
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